利用草木灰分散剩余污泥中高分子聚丙婦醜胺，固體廢物在耐熱耐減側(cè)胞菌和effective microorganisms (EM)復(fù)合菌作用下，對(duì)剩余污泥進(jìn)行生物發(fā)酵、深度脫水和除臭等.研究結(jié)果表明，資源化利用添加草木灰（草木灰 與污泥體積比1:3)可分散絮凝剩余污泥（水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%)中的聚丙烯酰胺，并通過(guò)耦合生物發(fā)酵 對(duì)剩余污泥進(jìn)行深度脫水和除臭.處理前后污泥的pH值由6. 7增至12. 3;污泥比阻（specific resistance to filtration, SRF)由 1. 41 x 1013 m/kg 降為 6. 85 x 1011 m/kg;污泥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 80. 2% 降至 46. 8% ;草木灰分散污 泥中聚丙烯酰胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)由4.9 mg/g降為0.2 mg/g;臭味強(qiáng)度由5級(jí)變?yōu)?級(jí)；糞大腸菌群值由6.9 xio7 MPN/g降為0. 08MPN/g,處理后污泥中的氮、磷（以P2O5計(jì)）、鉀（以K2O計(jì)）和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別 為3.4%、9.2%、5. 7%和49. 9%.該方法可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)絮凝剩余污泥的深度脫水，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化.
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市污水處理率 逐年提高，污水處理量越來(lái)越大，同時(shí)產(chǎn)生了大量 副產(chǎn)物一剩余污泥.目前，污泥的初級(jí)脫水普遍 米用加人高分子聚丙稀酰胺（polyacrylamide , PAM)作為絮凝劑，以提高絮凝效果，然后進(jìn)行機(jī) 械壓濾或離心脫水處理，使剩余污泥中水的質(zhì)量分 數(shù)（w(H2〇))降至80%左右。這類污泥再繼續(xù)深 度脫水十分困難.2020年，我國(guó)城市剩余污泥產(chǎn)生 量將達(dá)4.4xl07t/年（w(H2O) =80%〇[|].這些未 經(jīng)深度脫水處理的剩余污泥將給生態(tài)環(huán)境和人類健 康帶來(lái)潛在威脅，同時(shí)也達(dá)不到污泥衛(wèi)生填埋處置 (w(H2O) < 60%〇[2]和焚燒處置（w(H2O) < 50%〇[3]的要求.因此，含PAM的剩余污泥 (w(H2〇) = 80% )能否實(shí)現(xiàn)深度脫水處理已成為困 擾污水處理廠最嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之一[4—5].
剩余污泥中存在的高分子PAM，既可起到污泥 脫水的敏化作用，又可對(duì)污泥穩(wěn)定起到保護(hù)作用. 當(dāng)污泥顆粒的吸附面全部被高分子PAM覆蓋后， PAM的保護(hù)作用將起主導(dǎo)，致使絮凝剩余污泥有很 好的壓縮性能，阻礙污泥的深度脫水[6]，也影響后 續(xù)生物發(fā)酵對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解效果，以及厭氧消化后 污泥的脫水性能[7—8].由于PAM的生物抗性較強(qiáng)， 單一用生物發(fā)酵的方法，對(duì)污泥中的PAM降解效 果不理想[9—10].如果對(duì)含PAM的剩余污泥 (一耳0) = 80%)進(jìn)行深度脫水，必須首先克服 PAM大分子的絮凝作用，使其斷裂為小分子，為后 續(xù)污泥深度脫水處理奠定基礎(chǔ).
草木灰是一種含鉀高，且偏堿性的廢物，廉價(jià) 易得，具有分散PAM、改善污泥結(jié)構(gòu)、滅活病原微 生物和除臭的功能，適宜作為剩余污泥的脫水除臭 劑，與污泥混合作為土壤修復(fù)劑還可以鈍化重金 屬[11].利用堿性物質(zhì)對(duì)污泥進(jìn)行發(fā)酵、脫水、滅菌 和除臭研究已取得了一定效果[l2—l4].然而，有關(guān)利 用草木灰作為分散劑降解PAM，對(duì)污泥堿性發(fā)酵, 改善污泥深度脫水性能，同時(shí)滅菌和除臭的研究目 前鮮見(jiàn)報(bào)道.
本研究利用草木灰作為分散劑，對(duì)剩余污泥中 的高分子PAM進(jìn)行分散斷鏈，降解為小分子化合 物，然后在耐熱耐堿的側(cè)胞桿菌和EM菌（effective microorganisms)的作用下，對(duì)剩余污泥進(jìn)行生物降 解，達(dá)到對(duì)污泥深度脫水、滅菌和除臭的效果.同 時(shí)利用熱重分析和電鏡等手段對(duì)污泥脫水特性進(jìn)行 分析，對(duì)污泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期從機(jī)理上探討剩 余污泥深度脫水、滅菌和除臭的原因；此外，對(duì)污 泥中的營(yíng)養(yǎng)物成分氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分 析，為污泥的資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).
1材料與方法
1. 1試驗(yàn)材料
所用PAM的剩余污泥樣品取自南陽(yáng)市污水凈 化中心，w(H2O)約為80%，沉淀過(guò)程中加人質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.5%的陽(yáng)離子PAM.草木灰取自南陽(yáng)市某 生物質(zhì)發(fā)電廠鍋爐灰，原料主要是小麥秸稈.復(fù)合 菌主要成分為耐熱耐堿的芽孢桿菌液和EM菌液. 1.2實(shí)驗(yàn)操作
將10 x 103 L剩余污泥與3. 3 x 103 L草木灰在
自制的金屬反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)充分?jǐn)嚢杌旌?，密封放? h， 然后加人復(fù)合菌液80 L，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌靹蚝蟪孛?封發(fā)酵48 h.發(fā)酵完成后，平鋪污泥自然晾干.然 后測(cè)定處理后污泥樣品的pH值、溫度、污泥比阻 (specific resistance to filtration， SRF)、 PAM 質(zhì)量分
數(shù)、臭味強(qiáng)度、w(H2〇)、病原菌指標(biāo)、污泥結(jié)構(gòu)和 熱重變化，并與處理前剩余污泥樣品相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行 對(duì)比分析.結(jié)果由6次平行實(shí)驗(yàn)得出.
1.3分析方法
采用《玻璃電極法》（GB6920—86)測(cè)量pH 值；用溫度計(jì)測(cè)溫；采用布氏漏斗法測(cè)量污泥比 阻；采用烘干法測(cè)量污泥中的w(H2〇)；采用淀粉 -碘化隔光度法測(cè)量污泥中w(PAM)；采用《發(fā)酵 法》（GB7959—87)測(cè)量糞大腸菌群菌值；采用 《三點(diǎn)比較式臭袋法》（GB/T14675—93)測(cè)量污泥 中惡臭；米用電子顯微鏡和Quanta 200型掃描電鏡 (scanning electron microscope， SEM)(荷蘭，F(xiàn)EI 公 司）觀察污泥結(jié)構(gòu)變化；采用熱重分析儀 (NETZSCH FTA449F3)測(cè)量污泥熱重變化；采用 《半微量開(kāi)氏法》（NY/T 53—1987)測(cè)量污泥全氮 (totle nitrogen, TN);米用《過(guò)硫酸鉀消解磷鉬藍(lán) 比色法》（NY/T 88—1988 )測(cè)量污泥全磷（totle phosphorus, TP);采用《氫氧化鈉熔融法》（NY/T 87—1988 )測(cè)定污泥全鉀（totle potassium, TK); 采用《重鉻酸鉀容量法》（NY/T 1121.6—2006) 測(cè)定污泥有機(jī)質(zhì).
2結(jié)果與討論
2.1污泥的pH值和溫度
對(duì)污泥樣品處理前后的pH值、污泥比阻、 w(PAM)、w(H2O)、臭味、糞大腸菌群值、TN、 TP (以P2〇5計(jì)）、TK和有機(jī)質(zhì)成分指標(biāo)進(jìn)行分析, 結(jié)果見(jiàn)表1.試驗(yàn)過(guò)程平行操作6次，結(jié)果取平 均值.
表1剩余污泥處理前后性質(zhì)變化（n =6)
Table 1 Different characteristics of activated sludge in treatment (n =6)
臭味糞大腸w (有機(jī)質(zhì)）
項(xiàng)目pH值t /SRFX10-"w (H2O)w(PAM)/強(qiáng)度菌群值/w (TN)w (TP)w (TK)
/(in.kg-1 )/%(mg * g-')/級(jí)(MPN • g-1)/%/%/%/%
處理前6.5?28 ?29130 ~79.4 ?4.8 ~55.8 X107 ?5.3?12.9 ?1.2?58.7 ~
污泥6.815980. 65. 28.3 X1075. 813.41.460. 3
均值6.728.514180. 24. 956.9 X1075. 613.11.359. 3
處理后12.2 ~44 ?466.10~46.2 ~0.1?10.07 ~3. 1?8.7?5.6?48.6 ~
污泥12.67. 4547.90. 30. 093. 59. 55. 949.3
均值12.345.06. 8546.80. 210. 083. 49. 25. 749.9
從表1可見(jiàn)，處理前剩余污泥的pH值為6. 7 , 屬弱酸性，經(jīng)過(guò)草木灰的作用和堿性發(fā)酵后，污泥 的pH值增至12. 3.因?yàn)椴菽净业闹饕煞諯2O和 K2CO3具有強(qiáng)烈的吸水特性，吸水后其主要成分為 K2CO3*KOH,兩者均為堿性物質(zhì).因此，剩余污 泥加人草木灰混勻后，污泥的pH值由中性變?yōu)閺?qiáng) 堿性，經(jīng)過(guò)添加耐熱耐堿側(cè)胞桿菌和EM菌污泥發(fā) 酵后，污泥的性質(zhì)變?yōu)閴A性；另外，由于發(fā)酵過(guò)程 中發(fā)酵產(chǎn)熱，溫度由28. 5丈升至45.0丈；主導(dǎo)發(fā) 酵的菌類是耐熱耐堿側(cè)胞菌屬，故體系的發(fā)酵過(guò)程 不會(huì)被破壞.鑒于發(fā)酵后污泥屬于偏堿性，因此可 作為酸性土壤的改良劑使用，或是用氨基酸中和后 作為有機(jī)肥使用[15].
2.2污泥比阻
用污泥比阻評(píng)價(jià)污泥的脫水性能時(shí)，一般認(rèn) 為，當(dāng)污泥比阻大于4.0 X 10l2m/kg時(shí)，污泥屬 于難脫水污泥；當(dāng)污泥比阻小于1.0 X 10l2m/kg 時(shí)，污泥屬于易脫水污泥[16].從表1可以看出，經(jīng) 過(guò)該方法處理后，污泥脫水性能已由難脫水污泥
(1.41X 1013m/kg)變?yōu)橐酌撍勰啵?. 85X1011
m/kg),脫水性能顯著改善.
2.3污泥中的w(H2O)
從表1還可以看出，處理前污泥的w(H2〇)為 80. 2% ,處理后污泥的w( H2O)降為46. 8% ,已達(dá) 到填埋處置（w(H2O)
污泥脫水性能改善的主要機(jī)理如下：首先，草 木灰與剩余污泥混合作用后，草木灰分散并降解高 分子PAM,使大分子的PAM斷裂為小分子結(jié)構(gòu)， 破壞了剩余污泥和PAM形成的凝膠結(jié)構(gòu)（結(jié)合污 泥結(jié)構(gòu)電鏡圖可進(jìn)一步說(shuō)明），有利于污泥中自由 水的脫除；其次，草木灰顆粒進(jìn)人污泥和微生物細(xì) 胞周?chē)障吨?，改變了污泥的結(jié)構(gòu)，形成具有多孔 的骨架結(jié)構(gòu)，使污泥的壓縮性能減小[17-18],利于水 分的脫除[19] ； Luo等[20]研究了制革污泥焚燒底渣 聯(lián)合PAM對(duì)污泥的調(diào)理脫水，結(jié)果表明，與PAM 單獨(dú)脫水相比，污泥焚燒底渣聯(lián)合PAM能夠明顯 提高污泥的脫水性能，說(shuō)明底渣在機(jī)械脫水過(guò)程中 能提供一個(gè)相對(duì)通透、非壓縮性的污泥結(jié)構(gòu).由此 推斷，本研究添加的草木灰在實(shí)現(xiàn)對(duì)PAM降解的 同時(shí)，也能使剩余污泥產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)通透非壓縮性 的結(jié)構(gòu)[21];最后，堿性生物發(fā)酵使污泥體系溫度 升至45 〇C，破壞了部分污泥細(xì)胞的細(xì)胞膜[12]，同 時(shí)降解了胞外聚合物的有機(jī)成分，弱化了污泥顆粒 的水化作用，使污泥顆粒的水化膜作用減弱，水分 更易從污泥顆粒形成的堅(jiān)實(shí)骨架結(jié)構(gòu)中逸出，降低 了污泥的含水率；此外，草木灰吸水性強(qiáng)，通過(guò)化 學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移到草木灰當(dāng)中，也是污泥含水率下降的 原因之一-.
2.4污泥中PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)
由表1可見(jiàn)，處理前剩余污泥中的w (PAM)為 4. 9 mg/g，處理后為0. 2 mg/g，該方法對(duì)PAM的 降解率為96%，說(shuō)明對(duì)PAM的分散和降解有效， 明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[22]中污泥高溫堆肥對(duì)PAM降解率 (48. 8%)的結(jié)果.這是因?yàn)镻AM有極強(qiáng)的生物抗 性，即使已經(jīng)降解為小分子PAM,依然有這種特 性[9,23-24]，在草木灰分散污泥的過(guò)程中通過(guò)前期加 入草木灰并攪拌混合，對(duì)PAM起作用的是機(jī)械降 解和化學(xué)降解，能同時(shí)為后續(xù)堿性條件下的生物發(fā) 酵協(xié)同作用；在生物發(fā)酵過(guò)程中，添加的EM菌是 一種復(fù)合菌，與耐熱耐堿側(cè)胞桿菌共同對(duì)污泥中的 PAM和有機(jī)質(zhì)充分進(jìn)行生物降解，獲得了好的耦合 降解效果.所以，草木灰分散PAM結(jié)合堿性條件下 生物發(fā)酵的方法是集物理、化學(xué)和生物多種作用的 協(xié)同降解過(guò)程，更有利于PAM和其他有機(jī)質(zhì)的同 時(shí)降解[25-26].
2.5污泥結(jié)構(gòu)
圖1 (a)和（b)分別是污泥處理前后的結(jié)構(gòu)電 鏡照.在圖1 (a)中，剩余污泥含有PAM，絮凝的 污泥結(jié)構(gòu)明顯是一個(gè)絮狀膠凝的大整體，沒(méi)有明顯 邊界，說(shuō)明污泥顆粒完全被PAM絮凝大分子所包 圍.圖1 (b)是經(jīng)過(guò)草木灰分散和堿性發(fā)酵后的污 泥電鏡圖，可以看出，污泥絮凝整體的大污泥絮狀 結(jié)構(gòu)已不存在，結(jié)構(gòu)分散的污泥顆粒明顯變小并有 明顯的分界，證明了 PAM的大分子已被分散為短 鏈的小分子.結(jié)合污泥比阻和污泥w(H2〇)數(shù)據(jù)表 明，此時(shí)，污泥的比阻變小，被PAM絮凝起來(lái)的
水分子容易釋放出來(lái)，改善了污泥的脫水性能.
從圖3可見(jiàn)，處理后污泥的TG曲線有兩個(gè)明 顯的失重段，對(duì)應(yīng)DTG曲線上有兩個(gè)階段的失重 峰.第1階段是49.42 ~110丈，失重率為39.09% 左右，為污泥脫除結(jié)合態(tài)的部分內(nèi)部吸附水；失重 的第2階段為污泥熱解的主要階段，溫度范圍為 629?720丈，為污泥中有機(jī)物的碳化階段，失重 率為9. 07%左右，污泥最終殘留量為49. 72%，與 處理前失重結(jié)果相比，處理后污泥殘留量增加，原 因是與添加的草木灰有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低有關(guān).與 圖2相比，處理前污泥脫水起始溫度為74丈，處 理后脫水起始溫度為49. 42丈，失重峰明顯前移, 這一結(jié)果與文獻(xiàn)[27]研究結(jié)果相似，文獻(xiàn)[27]給 出絮凝剩余污泥深度脫水起始溫度也有失重峰明顯 前移現(xiàn)象.失重峰前移說(shuō)明污泥中的水分更易被脫 除.處理后污泥的脫水性能改善，這與上述討論的 污泥比阻測(cè)定數(shù)據(jù)吻合.
2.7污泥臭味去除
文獻(xiàn)[13]認(rèn)為，污泥中還原性硫化物和氨的釋 放是污泥臭味的主要來(lái)源.當(dāng)污泥中加人石灰使污 泥的pH >12，產(chǎn)生的強(qiáng)堿和釋放出的大量熱量能 夠殺死微生物，抑制還原性硫化物產(chǎn)生，使氨氣釋 放加速，達(dá)到除臭效果.從表1可以看出，處理前 污泥臭味強(qiáng)度為5級(jí)，屬人類無(wú)法忍受的臭味級(jí) 別，處理后污泥臭味強(qiáng)度降為1級(jí)，屬輕微的臭味 級(jí)別.草木灰和石灰都屬于堿性物質(zhì)，草木灰產(chǎn)生 的堿性環(huán)境和在堿性發(fā)酵過(guò)程中放出的熱量能夠殺 死微生物，并抑制還原性硫化物產(chǎn)生.由此推測(cè), 草木灰分散剩余污泥結(jié)合堿性生物發(fā)酵能夠達(dá)到抑 制惡臭的目的.
2.8污泥病原微生物滅活效果
從表1可見(jiàn)，原污泥中糞大腸菌群值為6. 9 x 107MPN/g，遠(yuǎn)高于我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥 質(zhì)》（CJ247—2007)及《糞便無(wú)害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》 (GB7959—87)規(guī)定的0. 01 MPN/g標(biāo)準(zhǔn)值；污泥處 理后，糞大腸菌群值降至0.08 MPN/g，略高于我 國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（CJ247—2007)的 規(guī)定限值（0.01 MPN/g).表明草木灰分散污泥后, 在耐熱耐堿側(cè)胞桿菌和EM菌作用下進(jìn)行生物發(fā) 酵，可使污泥的病原菌被滅活.這與污泥添加石灰 對(duì)污泥病原菌殺滅作用研究結(jié)果[14]相近，草木灰 和石灰都屬于堿性物質(zhì)，兩者產(chǎn)生的堿性環(huán)境和發(fā) 酵過(guò)程中放出的熱能夠殺死病原微生物.
2.9污泥的營(yíng)養(yǎng)成分
從表1還可見(jiàn)，處理后污泥中營(yíng)養(yǎng)成分氮、 磷、鉀和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.4%、9.2%、 5. 7%和49. 9%，與處理前結(jié)果相比，除鉀質(zhì)量分 數(shù)增加外，氮和磷有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，其原因是 草木灰含鉀較高，而有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低.
盡管如此，處理后污泥的營(yíng)養(yǎng)成分中，氮、磷 和鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然達(dá)到有機(jī)肥料（NY525— 2002)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)的要求.本研究 中處理后污泥的總養(yǎng)分（TN+TP+TK)質(zhì)量分?jǐn)?shù) (干質(zhì)量）為18. 3%,而標(biāo)準(zhǔn)要求高于4.0%即可； 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49. 9%,而標(biāo)準(zhǔn)要求大于30% 即可.故該方法對(duì)剩余污泥處理后可作為有機(jī)肥使 用，尤其可以作為酸性土壤的改良劑使用.
結(jié)語(yǔ)
利用草木灰物化分散結(jié)合生物發(fā)酵處理絮凝態(tài) 剩余污泥，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的深度脫水和資源化，并 有滅菌除臭的效果.對(duì)剩余污泥中PAM的降解率為 96%;脫水性能明顯改善；污泥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 80. 2%降為46. 8% ;處理后污泥結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，絮 凝污泥大顆粒被分散為小顆粒，DTG曲線失重峰前 移；大腸菌群值由處理前的6. 9 x 107 MPN/g降為 0. 08MPN/g,接近標(biāo)準(zhǔn)要求的0.01 MPN/g;污泥 的臭味強(qiáng)度由處理前的5級(jí)降低到1級(jí)；污泥中總 養(yǎng)分（TN+TP+TK)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（干質(zhì)量）為 18.3%,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48. 9%,可實(shí)現(xiàn)污泥的 資源化利用.
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